基于組態(tài)王的模擬時(shí)鐘設(shè)計(jì)

張洪寶，華曉峰，田曉龍

（德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東德州253000）

0 引言

通常，模擬時(shí)鐘設(shè)計(jì)通常利用單片機(jī)（或嵌入式）系統(tǒng)完成，本文利用組態(tài)王軟件進(jìn)行模擬時(shí)鐘設(shè)計(jì)。組態(tài)王Kingview軟件是一種通用的開放型工業(yè)監(jiān)控軟件，其融過程控制設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)操作以及工廠資源管理于一體[1]，與常見的PLC、變頻器、智能儀表、智能模塊等通訊方便，很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控，在現(xiàn)代生產(chǎn)和教學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。利用組態(tài)王軟件進(jìn)行模擬時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，目的是為了讓學(xué)生練習(xí)畫面制作、旋轉(zhuǎn)設(shè)置和命令語言的編寫，同時(shí)解決其他文獻(xiàn)中不足的問題。有的教材也講述了利用組態(tài)王進(jìn)行模擬時(shí)鐘的設(shè)計(jì)，但效果都不盡人意，有的講述不細(xì)致，學(xué)生自己根據(jù)教材根本做不出結(jié)果；有的雖然能做出結(jié)果，但時(shí)針的旋轉(zhuǎn)和現(xiàn)實(shí)中時(shí)鐘的時(shí)針不相符；有的畫出的刻度線位置不準(zhǔn)確，方向不指向圓心，時(shí)針不能隨時(shí)間勻速旋轉(zhuǎn)。于玲等[2-3]和石敬波等[4]講述了模擬時(shí)鐘的設(shè)計(jì)過程，但對(duì)畫面中時(shí)鐘指針和刻度線的設(shè)計(jì)都沒有詳細(xì)地講述；于玲等[2-3]的畫面命令語言比較繁瑣，時(shí)針雖然能勻速旋轉(zhuǎn)，但與分針的旋轉(zhuǎn)不能同步，石敬波等[4]設(shè)計(jì)的時(shí)鐘關(guān)聯(lián)的是系統(tǒng)時(shí)間；設(shè)計(jì)的時(shí)鐘在運(yùn)行畫面中數(shù)字顯示的時(shí)間都不能手動(dòng)更改；劉玉秀等[5]中模擬時(shí)鐘顯示畫面，刻度線不均勻且有的刻度線不能指向中心；王雪、侯秋華等[6-7]是利用系統(tǒng)中三角函數(shù)模塊完美的畫出了表盤畫面，而組態(tài)王軟件不具備這一功能。通過反復(fù)研究，本文詳述了利用組態(tài)王軟件進(jìn)行模擬時(shí)鐘的設(shè)計(jì)過程。

1 畫面設(shè)計(jì)

組態(tài)軟件的應(yīng)用，繪制畫面是重要的一個(gè)方面，模擬時(shí)鐘的畫面設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，表盤上12個(gè)整點(diǎn)的刻度線一定要均勻分布，并且畫出的刻度線要指向圓心。

模擬時(shí)鐘畫面設(shè)計(jì)主要包括時(shí)鐘表盤設(shè)計(jì)和時(shí)鐘指針設(shè)計(jì)。

1.1 時(shí)鐘表盤設(shè)計(jì)

模擬鐘表的表盤設(shè)計(jì)，主要是刻度線的位置和方向的確定。在畫面中畫出正圓后，根據(jù)圓的坐標(biāo)和直徑（長(zhǎng)度或高度）計(jì)算出圓心坐標(biāo)，然后在圓周上放置12個(gè)刻度線。

1.1.1 設(shè)置3、6、9、12點(diǎn)鐘刻度線

特殊位置的4個(gè)刻度線，可以直接計(jì)算出坐標(biāo)確定其位置。先畫出兩條水平刻度線，設(shè)置好其縱坐標(biāo)（縱坐標(biāo)=圓心縱坐標(biāo)-刻度線寬度/2），然后利用鍵盤上的左右移動(dòng)鍵，將刻度線分別放置于3點(diǎn)鐘和9點(diǎn)鐘位置。用同樣的方法設(shè)置6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘刻度線，畫出兩條豎直刻度線，設(shè)置好其橫坐標(biāo)（橫坐標(biāo)=圓心橫坐標(biāo)-刻度線寬度/2），然后利用鍵盤上的上下移動(dòng)鍵，將刻度線分別放置于6點(diǎn)鐘和12點(diǎn)鐘位置。

1.1.2 設(shè)置其余刻度線

在組態(tài)王的畫面設(shè)計(jì)中，其余刻度線的位置不能用編程的方法來確定，刻度線也不能旋轉(zhuǎn)任意角度，只能用特殊的方法解決。畫刻度線時(shí)要充分利用有關(guān)刻度線的對(duì)稱性。

（1）先確定1點(diǎn)鐘和5點(diǎn)鐘刻度線在圓周上的位置。這兩個(gè)刻度線的位置與圓心的連線和過圓心豎直方向的直徑成30°角，根據(jù)圓心坐標(biāo)和半徑的大小，確定這兩個(gè)刻度線的橫坐標(biāo)（橫坐標(biāo)=圓心橫坐標(biāo)+半徑/2），在該坐標(biāo)位置畫一條豎線，這條豎線與圓周的交點(diǎn)便是1點(diǎn)鐘和5點(diǎn)鐘的刻度線在圓周上的位置。利用同樣的方法，確定7點(diǎn)鐘和11點(diǎn)鐘刻度線在圓周上的位置。

（2）再確定2點(diǎn)鐘和10點(diǎn)鐘刻度線在圓周上的位置。這兩個(gè)刻度線的位置與圓心的連線和過圓心水平方向的直徑成30°角，根據(jù)圓心坐標(biāo)和半徑的大小，確定這兩個(gè)刻度線的縱坐標(biāo)（縱坐標(biāo)=圓心縱坐標(biāo)-半徑/2），在該坐標(biāo)位置畫一條橫線，這條橫線與圓周的交點(diǎn)便是2點(diǎn)鐘和10點(diǎn)鐘的刻度線在圓周上的位置。利用同樣的方法，確定4點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘刻度線在圓周上的位置。如圖1所示。

圖1 刻度線位置

（3）確定出刻度線的位置以后，再畫出刻度線。先畫1點(diǎn)鐘和7點(diǎn)鐘刻度線。經(jīng)過這兩個(gè)刻度線的位置畫一條細(xì)線，沿著細(xì)線的方向畫出這兩條刻度線，使刻度線的長(zhǎng)度和原先畫好的刻度線一樣。利用1和7的連線與4和10的連線是垂直的，復(fù)制1點(diǎn)鐘和7點(diǎn)鐘這兩條刻度線，旋轉(zhuǎn)90°，分別放置在4點(diǎn)鐘和10點(diǎn)鐘位置。再畫5點(diǎn)鐘和11點(diǎn)鐘刻度線。經(jīng)過這兩個(gè)刻度線的位置畫一條細(xì)線，沿著細(xì)線的方向畫出這兩條刻度線。利用5和11的連線與2和8的連線是垂直的，復(fù)制5點(diǎn)鐘和11點(diǎn)鐘這兩條刻度線，旋轉(zhuǎn)90°，分別放置在2點(diǎn)鐘和8點(diǎn)鐘位置，如圖2所示。將多余的輔助線刪除，表盤如圖3所示。這樣畫出的刻度線位置準(zhǔn)確，方向指向圓心。

圖2 刻度線

圖3 表盤

1.2 時(shí)鐘指針設(shè)計(jì)

時(shí)鐘指針的設(shè)計(jì)是指用長(zhǎng)度、寬度和顏色不同的3條線段表示時(shí)鐘的3個(gè)指針。時(shí)針最短最寬，秒針最長(zhǎng)最窄；3個(gè)指針的圖素位置，時(shí)針在最前面，秒針在最后面，3個(gè)指針均指向12點(diǎn)鐘。根據(jù)表盤圓心的坐標(biāo)和3個(gè)指針的長(zhǎng)度和寬度，計(jì)算出3個(gè)指針的坐標(biāo)，指針的橫坐標(biāo)等于圓心橫坐標(biāo)減去指針寬度的一半，指針的縱坐標(biāo)等于圓心縱坐標(biāo)減去指針長(zhǎng)度。在工具箱下部修改好3個(gè)指針的坐標(biāo)，將3個(gè)指針對(duì)齊到表盤的中心。為了美觀，再畫一個(gè)小圓，放置到表盤的中心處。如圖4所示。

圖4 模擬時(shí)鐘

1.3 開關(guān)設(shè)計(jì)

在畫面中繪制啟停開關(guān)和復(fù)位開關(guān)，用來在運(yùn)行時(shí)控制模擬時(shí)鐘的啟動(dòng)、停止和復(fù)位；添加時(shí)間輸入輸出文本，用來在運(yùn)行時(shí)調(diào)整時(shí)間。運(yùn)行時(shí)，點(diǎn)擊啟停開關(guān)，模擬鐘表開始運(yùn)轉(zhuǎn)，再次點(diǎn)擊時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)；點(diǎn)擊復(fù)位開關(guān)，時(shí)間全部復(fù)位清零。在畫面上輸入“時(shí)”“分”“秒”3個(gè)文本，中間用冒號(hào)隔開，文本“時(shí)：分：秒”用來顯示運(yùn)行的時(shí)間，同時(shí)，可以輸入數(shù)字，隨意更改時(shí)間；更改時(shí)間時(shí)，指針會(huì)隨著做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。完整的模擬時(shí)鐘畫面如圖5所示。

圖5 模擬時(shí)鐘畫面

2 定義變量

在模擬鐘表的設(shè)計(jì)中，需要定義4個(gè)內(nèi)存整型變量和2個(gè)內(nèi)存離散變量。定義3個(gè)內(nèi)存整型變量“時(shí)針”“分針”“秒針”，分別對(duì)應(yīng)輸出時(shí)間的時(shí)、分、秒。時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周是12 h，如果直接把畫面中的時(shí)針動(dòng)畫連接到變量“時(shí)針”，運(yùn)行時(shí)畫面中的時(shí)針，只能指示整點(diǎn)位置，每小時(shí)跳動(dòng)一個(gè)刻度，與實(shí)際情況不符。為了運(yùn)行時(shí)時(shí)針能夠勻速旋轉(zhuǎn)，再定義一個(gè)內(nèi)存整型“時(shí)針旋轉(zhuǎn)”中間變量。

定義兩個(gè)內(nèi)存離散變量“啟停開關(guān)”和“復(fù)位開關(guān)”。

3 動(dòng)畫連接設(shè)計(jì)

將畫面中的秒針和分針分別動(dòng)畫連接變量“秒針”和“分針”，最大順時(shí)針方向?qū)?yīng)角度為360°時(shí)的數(shù)值為60。

將畫面中的時(shí)針動(dòng)畫連接變量“時(shí)針旋轉(zhuǎn)”，最大順時(shí)針方向?qū)?yīng)角度為360°時(shí)的數(shù)值為43 200，此數(shù)值為12×60×60，時(shí)針每分鐘旋轉(zhuǎn)0.5°。

設(shè)置旋轉(zhuǎn)連接時(shí)，旋轉(zhuǎn)圓心偏離圖素中心的大小，水平方向?yàn)?，垂直方向?yàn)橹羔樃叨鹊囊话搿?/p>

將文本“時(shí)∶分∶秒”進(jìn)行動(dòng)畫連接，模擬值輸入和輸出分別連接到變量“時(shí)針”、“分針”、“秒針”；模擬值輸入連接時(shí)，秒針和分針的最大值為60，時(shí)針的最大值時(shí)12。這樣在運(yùn)行時(shí)，通過在此輸入數(shù)值，可以改變時(shí)間。

4 畫面命令語言設(shè)計(jì)

在模擬鐘表的設(shè)計(jì)過程中，畫面命令語言的設(shè)計(jì)是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，畫面命令語言編寫完成后，要根據(jù)運(yùn)行情況不斷進(jìn)行調(diào)試修改，最終達(dá)到理想的結(jié)果。

根據(jù)畫面和動(dòng)畫連接設(shè)計(jì)情況，按照秒和分60進(jìn)位的規(guī)律編寫命令語言。

if（\本站點(diǎn)啟停開關(guān)==1）

{\本站點(diǎn)時(shí)針旋轉(zhuǎn)=3600*\本站點(diǎn)時(shí)針+60*\本站點(diǎn)分針;

\本站點(diǎn)秒針=\本站點(diǎn)秒針+1;}

if（\本站點(diǎn)秒針==60）

{\本站點(diǎn)分針=\本站點(diǎn)分針+1;

\本站點(diǎn)秒針=0;}

if（\本站點(diǎn)分針==60）

{\本站點(diǎn)時(shí)針=\本站點(diǎn)時(shí)針+1;

\本站點(diǎn)分針=0;}

if（\本站點(diǎn)時(shí)針==12）

\本站點(diǎn)時(shí)針=0;

if（\本站點(diǎn)時(shí)針旋轉(zhuǎn)==43200）

\本站點(diǎn)時(shí)針旋轉(zhuǎn)=0;

if（\本站點(diǎn)復(fù)位開關(guān)==1）

{\本站點(diǎn)秒針=0;

\本站點(diǎn)分針=0;

\本站點(diǎn)時(shí)針=0;

\本站點(diǎn)時(shí)針旋轉(zhuǎn)=0;}

軟件進(jìn)入運(yùn)行系統(tǒng)后，點(diǎn)擊啟停開關(guān)，秒針開始轉(zhuǎn)動(dòng)，秒針轉(zhuǎn)動(dòng)60次（一周）后，分針和時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一次。運(yùn)行時(shí)，數(shù)字顯示的時(shí)間時(shí)、分、秒，可以手動(dòng)更改，指針和數(shù)字顯示能夠同步變化，在任意時(shí)刻點(diǎn)擊啟停開關(guān)，指針停止旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)不同時(shí)刻的情況如圖6所示。

圖6 模擬鐘表運(yùn)行時(shí)刻

5 結(jié)束語

本文所述利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)的模擬時(shí)鐘，解決了表盤上刻度線位置不準(zhǔn)確、方向不能指向圓心的問題，解決了運(yùn)行時(shí)時(shí)針不能勻速旋轉(zhuǎn)的問題。經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試，秒針和分針每周轉(zhuǎn)動(dòng)60次，每次旋轉(zhuǎn)6°；時(shí)針每周轉(zhuǎn)動(dòng)720次，每次旋轉(zhuǎn)0.5°。將畫面命令語言對(duì)話框中的程序循環(huán)時(shí)間改為600 ms，模擬時(shí)鐘運(yùn)行的快慢正好能和實(shí)際的時(shí)鐘相吻合。在此設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還可以進(jìn)行改進(jìn)，添加秒針和分針旋轉(zhuǎn)的中間變量，改變指針動(dòng)畫連接設(shè)計(jì)和畫面命令語言，使秒針和分針每次旋轉(zhuǎn)的角度更小，轉(zhuǎn)動(dòng)更平緩。